Metody prowadzenia
bioprocesów

Metody hodowli
drobnoustrojów

Proces okresowy

ZALETY

WADY



prosty technologicznie:

szczepienie, hodowla,

zakończenie hodowli i

izolacja produktu z całej

zawartości fermentora



brak maksymalnego

wykorzystania aparatury i

potencjału drobnoustrojów



okresy bezproduktywne



krótki okres tworzenia produktu



zmienność warunków środowiska



trudności w kontroli i

automatyzacji procesu

Metabolizm drobnoustrojów- krzywa
wzrostu

1- faza inkubacyjna (lag-faza)
3- faza logarytmicznego wzrostu (log-faza)
5- faza stacjonarna
6- faza zamierania

1

2

3

6

5

4

4

Metody hodowli

drobnoustrojów



Modyfikacje procesów okresowych:



okresowy z zasilaniem: okresowe lub ciągłe
dolewanie pożywki, rozcieńcza się
metabolity hamujące wzrost a dostarcza
substratu w miarę jego zużywania



okresowy z powtórnym zasilaniem: co
pewien czas odbiera się część pożywki z
biomasą i dostarcza świeżej (stała objętość)

Metody hodowli
drobnoustrojów

Proces ciągły

ciągły dopływ pożywki i jednoczesne odbieranie

zawartości fermentora

ZALETY

WADY



maksymalne przedłużenie

trwania fazy produkcyjnej



pominięcie zbędnych,

bezproduktywnych etapów

(zaszczepianie, faza

inkubacyjna)



stała szybkość wzrostu,

stałe warunki środowiska



zwiększona wydajność

procesu



oszczędność



niebezpieczeństwo

wymywania drobnoustrojów



ryzyko zakażenia (np.

bakteriofagami)

Hodowle ciągłe

drobnoustrojów

Chemostat:

Zbudowany z naczynia
hodowlanego oraz ze
zbiornika, który dostarcza
świeżą pożywkę.

Zasada chemostatu:
pożywka jest dostarczana
ciągle i ze stałą szybkością.
Stała objętość pożywki w
bioreaktorze. Nadmiar
zawartości jest
odprowadzany.

Wzrost drobnoustrojów jest
limitowany stężeniem
substratu

Hodowle ciągłe

drobnoustrojów

Turbidostat:

Zasada turbidostatu:
utrzymanie stałej gęstości
drobnoustrojów (stałego
zmętnienia). Pożywka
dostarczana jest w sposób
regulowany, zmienny.

Składniki odżywcze są stale
w nadmiarze

Właściwa szybkość wzrostu
jest bardzo wysoka

Trudniejszy technologicznie

Hodowle ciągłe

drobnoustrojów

Auksostat:

Zasada auksostatu:
określona wielkość jest
utrzymana na stałym
poziomie (np. pH, ilość
rozpuszczonego tlenu)

Stosowany w procesach
intensywnego namnażania
drobnoustrojów (np. w
oczyszczaniu ścieków,
produkcji biomasy)

Projektowanie: bioreaktor
standardowy

Stanowi ok. 95% wszystkich bioreaktorów

Pojemność: 2 litry - 250 m

3

;

tzw. objętość robocza stanowi ok.. 2/3 pojemności
całkowitej

Objętość minimalna: zależy od położenia czujników oraz
najniższego poziomu łopatek mieszadła

Przegrody na ściankach (zwykle 4) - konieczne przy
mieszadle typu łapowego

Stosunek wysokość : szerokość zbiornika (H/D) wynosi
zwykle ok. 3, wysoki H/D polepsza wymianę cieplną i
gazową, niski H/D zmniejsza wymiary bioreaktora, lepszy
kontakt powierzchni pożywki z powietrzem, lepsze i mniej
energochłonne mieszanie pożywki.

Schemat bioreaktora (typ
podstawowy)

1- dopływ kwasu lub zasady do
reg. pH
2- nasycona para wodna do
sterylizacji
3- wał z napędem
4- urządzenie do niszczenia piany
5- mieszadło
6- pożywka
7- dopływ powietrza lub gazu
8- płaszcz chłodzący (lub
grzewczy)

1

2

3

4

5

6

7

8

Przykłady bioreaktorów

komercyjnych

Bioreaktor
laboratoryjny
,
poj. 1.6-14
litrów

wg. New Brunswick Scientific

Przykłady bioreaktorów

komercyjnych

Bioreaktor
laboratoryjny
sterylizowany in
situ.

wg.
www.infors.ch

Bioreaktor

półprzemysłowy

(New Brunswick

Scientific)

Bioreaktor przemysłowy

Fermentory o budowie specjalnej –

bioreaktor typu air-lift

Z pętlą zewnętrzną

Z pętlą wewnętrzną

Mieszanie i napowietrzanie



Makromieszanie (wynika z budowy bioreaktora)



Mikromieszanie (decyduje o efektywności procesu)



Specyfika procesu mieszania w bioprocesach:



charakter nieniutonowski cieczy (szczególne grzyby,

organizmy nitkowate)



duża wrażliwość biomasy na siły ścinające



tendencja do tworzenia się piany



układy wielofazowe (gaz w cieczy, ciecz-ciecz, ciecz-

ciało stale)

Mieszanie mechaniczne

Mieszadło łapowe

(Rushton’a)

Mieszadło

kotwicowe

Mieszanie i napowietrzanie

Inne sposoby mieszania zawartości
bioreaktora:

• Wibromieszanie (ang. vibromixing); wstrząsanie

pożywki przez wibrujący dysk umieszczony w
pożywce (małe siły ścinające, np. do hodowli
komórek zwierzęcych)

• Mieszanie hydrauliczne; użycie pompy, która

wprowadza pożywkę w ruch (stosowane np. w
oczyszczalniach ścieków)

• Mieszanie pneumatyczne

• bełkotki na dnie bioreaktora (barbotaż =

jednoczesne mieszanie i napowietrzanie)

• bioreaktor typu air-lift

Rozkład sił

ścinających

Piana



Piana- zjawisko wysoce niepożądane, jest to układ fazowy
gaz-ciecz z małym udziałem cieczy



Substancje pianotwórcze obecne w podłożu: mąki,
hydrolizaty, ekstrakty (polipeptydy i białka
niskocząsteczkowe)



Piana powoduje wznoszenie się stałych części podłoża i ich
osadzanie na ściankach, niejednorodność układu, trudności
w kontroli procesu, spadek pojemności użytkowej
fermentora, uszkodzenie oprzyrządowania

Łamanie piany- chemiczne



Środki przeciwpienne



naturalne (oleje roślinne, tłuszcze zwierzęce)
wpływają ujemnie na warunki hodowli, tanie



syntetyczne (silikony, wyższe alkohole) nie
wpływają bezpośrednio na metabolizm, droższe



wszystkie pogarszają wymianę tlenową



główne kryterium doboru to wpływ na
produkt końcowy i nietoksyczność

Etapy procesu biosyntezy

bioreakt

or

Surowce

Podłoże

Sterylizacj
a

Szczep

Namnożenie
inokulum

Powietrze

REGULACJA

Oddzielenie biomasy

Izolacja produktu

Otrzymanie formy handlowej

Utylizacja produktów

ubocznych,

odpadów

$$$

Zmodyf. wg. Chmiel, 1994

Ogólne etapy prowadzenia

bioprocesu

(przykład produkcji biomasy na

drodze fermentacji tlenowej)



Przygotowanie fermentora oraz osprzętu
(pompy, sondy pomiarowe itd.)



Przygotowanie pożywki, zaszczepu, środków
przeciwpiennych



Sterylizacja fermentora, pożywki, pomieszczeń



Zaszczepienie hodowli, prowadzenie fermentacji
i jej bieżąca kontrola (napowietrzanie,
mieszanie, pH, temperatura, usuwanie piany)



Opróżnienie zawartości fermentora



Wydzielenie, oczyszczenie i konfekcjonowanie
produktu



Utylizacja produktów ubocznych i odpadów

Procesy down-
stream

Procesy “down-

stream”



Trudności w wydzielaniu produktów z
płynów biologicznych:



duża lepkość, cechy nieniutonowskie
(reologia !)



wolna sedymentacja, trudna filtrowalność



wrażliwość termiczna i chemiczna,
tworzenie emulsji i zawiesin

Procesy “down-

stream”

Układ ciecz-ciało stale

Układy równowagowe

wielofazowe

Metody mechaniczne: filtracja,
wirowanie, ultrawirowanie,
krystalizacja, sedymentacja

Ekstrakcja: adsorpcja,
chromatografia, ekstrakcja
ciecz-ciecz, precypitacja,
wymiana jonowa,
frakcjonowanie piany

Metody membranowe:
ultrafiltracja, odwrócona
osmoza, elektrodializa

Metody termiczne: destylacja,
suszenie, odparowanie,
liofilizacja, wymrażanie

Wykorzystanie ładunków
elektrycznych: elektrofiltracja,
elektroforeza

Procesy “down-

stream”

Kolumna ekstrakcyjna

Prasa filtracyjna

Procesy “down-

stream”

Liofilizator

Wirówka przemysłowa

Procesy “down-

stream”

Suszarka fluidyzacyjna